Коротка історія досліджень космосу сповнена кумедних, а іноді і невеселих подій, непорозумінь і несподіваних відкриттів. Поступово виник якийсь фольклор, яким фахівці обмінюються під час зустрічей. Часто він пов’язаний з несподіванками в поведінці космічних апаратів. Недарма в колах дослідників космосу народилася напівжартівливе, напівсерйозне формулювання закону Мерфі-Чізехолма: «Все, що може зіпсуватися, – псується. Все, що не може зіпсуватися, псується теж». Одна з суто наукових статей в журналі «Science» так і починалася: «Відповідно до закону Мерфі…» Але на щастя, буває і навпаки. Випадок, про який ми розповімо, швидше відноситься до такого дивного везіння. Важко сказати, скільки тут правди, але наукова канва цієї історії цілком достовірна.

Точному знанню положення космічного апарату біля далекої від Землі планети сприяють не лише засоби радіонавігації, а й передані апаратом телевізійні зображення, на яких видно супутники на тлі зірок. Отримувані відносні положення небесних тіл вводяться в обчислювальну машину, яка уточнює координати апарату. Одна з легенд розповідає, що коли «Вояджер-1» наближався до Юпітера, ЕОМ вказала керівниці експерименту на помилку у магнітній стрічці із записом зображення супутника Іо, яку вводили в ЕОМ. Причина була незрозумілою, але в врешті-решт вченій вдалося з’ясувати, що форма лімба Іо не відповідала закладеним в ЕОМ уявленням про кругле небесне тіло. Збоку у Іо щось виступало. Це «щось» згодом виявилося величезним газовим султаном, який піднімався на висоту близько 250–300 км над діючим вулканом.

Слід зазначити, що Іо давно дивує астрономів. Ввздовж орбіти Іо було виявлене випромінювання кисню, парів натрію і сірки. Як зберігається такий тор («бублик») в просторі? Спершу вченим здалося, що все пояснили телевізійні знімки Іо: 7–8 діючих вулканів на її поверхні викидають фонтани газоподібних речовин, що піднімаються на сотні кілометрів. Блідо-помаранчевий колір деяких ділянок поверхні Іо викликаний, мабуть, відкладами сірки і сконденсованого сірчистого газу. Якщо припустити, що частина продуктів вивержень розсіюється в космосі, походження газового тора уздовж орбіти Іо знаходить пояснення.

Але справа в тому, що Іо – досить масивне небесне тіло (на 20% більше Місяця за масою), а середня щільність становить 3,53 г/см³. Діаметр Іо 3620 км (Місяця 3476 км). Розрахунки показують, що прискорення вільного падіння на її поверхні досить велике, 1,81 м/с². Важкий сірчистий газ, а також пари сірки, викинуті з вулканічної кальдери, через низьку температуру швидко конденсуються і в такому вигляді, як іній і сніг, випадають на поверхню Іо. Цей процес випереджає руйнування молекули газу ультрафіолетовим випромінюванням Сонця (фотодисоціація). У той же час прискорення вільного падіння недостатнє, щоб утримати таку атмосферу, як у Марса, хоча якісь сліди атмосфери Іо все ж таки має. Викид газу на висоту кілька сотень кілометрів передбачає швидкість витікання газу з жерла приблизно 1 км/с. Високій швидкості потоку сприяє незначна щільність атмосфери Іо: від 10 до 100 мільйонів разів менше, ніж біля поверхні Землі. За земними поняттями – це глибокий вакуум. Але концентрація молекул не так вже й мала, близько 1011 см^-3. У всіх інших супутників Юпітера, Сатурна і Урана, як і у планети Меркурій, щільність атмосфери в мільярди разів нижче. Попросту кажучи, атмосфери у них немає. Виняток – супутник Сатурна Титан. Відкладемо трохи розгадку, як сірка і натрій потрапляють в космос і утворюють тор з нейтральних й іонізованих атомів і розглянемо дивовижний механізм вивержень на Іо.

Енергія для вулканів

Іо недостатньо велика, щоб радіоактивний розпад елементів в її надрах викликав сильний розігрів кори, як це відбувається на Землі. Енергія для розігріву черпається зовсім з іншого джерела: з приливної дії іншого великого супутника, Європи, самого Юпітера і в незначній мірі третього супутника – Ганімеда. Подібно до того як в атомах заборонені певні поєднання станів електронних оболонок, в системі Юпітера заборонені (хоча і з інших причин) деякі конфігурації (взаємні розташування) супутників. Як тільки Іо наближається до певної точки щодо Європи і Ганімеда, вплив останніх починає спотворювати орбіту Іо. За кожен оберт Іо двічі змінює орбіту, зміщуючись радіально на 10 км «вгору» і «вниз». Орбіта стає не зовсім кругової, хоча ексцентриситет складає всього 0,004. Іо має значний приливний виступ і при русі вздовж орбіти відчуває сильну лібрацію (погойдування), хоча, подібно до інших галілеєвих супутників, знаходиться в синхронному обертанні, тобто завжди звернена однією стороною до Юпітера.

Приливні сили згинають літосферу Іо і розігрівають її подібно до того, як нагрівається під час згинання дріт. Завдяки приливному впливу в надрах Іо виділяється величезна енергія – 60–80 млн. МВт. Мабуть, вона розподіляється нерівномірно, більше виділяється в приповерхневих шарах небесного тіла. В результаті розсіювання цієї енергії рух усіх трьох тіл поступово сповільнюється, але відбувається це надзвичайно повільно.

Нечасто буває, щоб передбачення теорії було підтверджено всього через 2 місяці, але в разі Іо було саме так. Її вулканічні виверження були передбачені на основі аналізу взаємних збурень галілеєвих супутників. Передбачення було опубліковано незадовго до зближення з Іо «Вояджера». Потужність, що розсіюється в приливних збуренях Іо, досягає 2 Вт/м² – це в 30 разів більше тепла, ніж виділяється через поверхню Землі. Дистанційні вимірювання температури поверхні, яка при рівновазі з одержуваною від Сонця енергією повинна складати приблизно 140 К в районі екватора Іо, привели до зовсім дивних результатів. Рівнини, покриті шаром білих відкладів, мають навіть більш низьку температуру, 130 К. Це зрозуміло, адже високе альбедо поверхні зменшує кількість енергії, що поглинається.

Вулкани і гарячі плями

Разом з тим близько 2% поверхні займають активні гарячі плями. Їх налічується більше 10. Температура в плямах 310, 400 і навіть 600 К, причому розміри плям коливаються в межах від 75 до 250 км. «Вояджер-1» спостерігав 8 активних гігантських вивержень, місця яких були ототожнені з гарячими плямами. «Вояджер-2», що зблизився з Іо через 4 місяці  виявив, що 7 з них все ще продовжують діяти. «Вимкнувся» лише один з найбільших вулканів, що отримав назву Пеле (на честь бога вулканів). У 1979 р в точці, яка виявилася вулканічнюї кальдерою Пеле, була зареєстрована найвища температура – понад 600 К.

Цікаво відзначити, що центр виверження чомусь темний, а в сторони поширюються помаранчеві потоки – продукти вивержень. Мабуть, вони накопичуються в глибинних резервуарах розплавленої речовини. Є ознаки того, що тривалість існування вулканічної кальдери тим більше, чим з більш глибоких резервуарів відбувається виверження.

Вулкани Іо діляться на кілька типів. Перші мають температуру 350–400 К і швидкість викиду газових продуктів близько 500 м/с. Висота газового султана досягає 100 км і більше, а опади, що випадають мають білий колір. Таких більшість. Другі вирізняються дуже високою температурою кальдери, мають швидкість викидів близько 1 км/с і висоту султана до 300 км. Їхня головна особливість – темна кільцева окантовка на відстанях декількох сотень кілометрів від кальдер, До них відноситься Пеле і знайдені пізніше Сурт і Атен. Кільце газоконденсатної природи навколо Пеле має характерну форму підкови діаметром близько 1000 км, а відклади на поверхні формують еліпс з розмірами 950х1400 км.

У центрі виверження розташовано кілька великих плоскогір’їв з обривистими краями і широкою долиною, що їх розділяє. Вся поверхня має темні відтінки оранжевого і коричневого кольорів. Лише плоскогір’я виділяється більш світлим забарвленням. Серед цікавих гіпотез є припущення про гейзерний характер вивержень другого типу, коли відбувається раптовий фазовий перехід летючих речовин (рідина – газ). Такий фазовий перехід в глибинному резервуарі відомий для земних вулканів, наприклад, острова Св. Олени. Для сірчистого газу перехід повинен відбуватися при температурі 400 К, а для сірки при температурі приблизно 700 К. Якщо прийняти цю гіпотезу, малі султани відповідають викидам з невеликих глибин, великі – викидам з глибоких резервуарів.

Склад продуктів вивержень (сірка, сірчистий газ і деякі сульфіди) присутній і в вулканічних виверженнях на Землі, але до основних складових вивержень не відносяться. Щоб судити про реальну потужність вулканізму на Іо, важливо знати, чи багато речовини викидається під час вивержень, для чого можна скористатися відомостями про вік поверхні. У свою чергу, для оцінки віку (відносного) поверхні небесних тіл використовується метод підрахунку кількості метеоритних кратерів, що припадають на одиницю поверхні. Метод дає оцінку віку, якщо, звичайно, відома середня щільність метеоритного бомбардування. За відсутності метеоритних кратерів на поверхні Іо було встановлено, що поверхня ця дуже молода, близько 1 млн. років. Її складають продукти вивержень. Через низьку температуру конденсації відклади конденсатів, як сірки, так і сірчистого ангідриду, зберігаються дуже довго. Товщина шару відкладів оцінюється від 3–4 до 20–30 км. Під час вивержень викидаються також силікатні магми – можливо, саме таке походження мають темні плями на поверхні Іо. Загальна кількість вулканічних кальдер на поверхні Іо, в тому числі гарячих, кілька десятків, але діючих, як уже говорилося, набагато менше. Загальна площа вулканічних кальдер становить приблизно 2% території супутника. Всі вони досить дрібні (по глибині).

Незвичайний вид має вулканічний об’єкт, що отримав назву Патера Ра. Від нього відходять радіальні змієподібні потоки, що простираються на відстань до 200 км, змінюючи відтінки від коричневого до світло-оранжевого і сніжно-білого тонів. Природа вулканічних потоків залишається незрозумілою, як і ще більш загадкові об’єкти – лавові озера. На їх прикладі можна також дещо дізнатися про час життя великих вивержень. Найсильніша сигнал був зареєстрований тепловими радіометрами «Вояджер» від не цілком зрозумілого об’єкта, який отримав ім’я Локі. На телевізійних знімках з високою роздільною здатністю він постає як злегка зрізане кругле (кільцеве) утворення темного відтінку; в центрі його є незграбної форми світло-жовтий об’єкт розмірами приблизно в половину всього утворення, який має розмір 250 км. Мабуть, темний об’єкт являє собою озеро розплавленої сірки, в центрі якого плаває 100-кілометровий «айсберг» твердої сірки! Навколо нього на темному тлі видно більш дрібні уламки того ж світлого матеріалу. Приблизно в 300 км на північ від центру Локі проходить злегка похилий розлом (тріщина), довжиною близько 200 км, з таким же темним дном, що має в центрі приблизно такий же «айсберг». (Види Локі на знімках першого і другого апаратів не однакові.) По обидва боки тріщини в небо Іо на висоту 250 км б’ють два потужних білих газових султана і які чітко виділяються на тлі світло-сірої поверхні. Вимірювання показують, що рідкий темний матеріал кальдери Локі не такий вже темний, він світліше поверхні Місяця.

Тепловий потік

Район Локі продукував основний тепловий потік при прольоті і «Вояджера-1» і «Вояджера-2» в 1979 р. Але цим справа не обмежилася. Наземні телескопічні спостереження незабаром також дозволили зареєструвати потужний тепловий потік, який з’являвся, коли Іо входила в тінь Юпітера. Потім згадали, що таке ж явище спостерігалося за 15 років до того і залишилося загадкою. Як часто вчених обманюють обставини, що відзначається у відомій приказці, що прийшла ще від древніх греків: «Після того – не означає внаслідок того!» Якби мільйони мегават розсіяної енергії випромінювалися всією поверхнею Іо, температура супутника зросла б всього на 2 К. Тут же випромінював безумовно гарячий район відносно невеликих розмірів. Зіставлення також показало, що джерела випромінювання розподілені по поверхні дуже нерівномірно, з’являються і зникають при обертанні супутника, а поява гарячих плям при затемненні Юпітером Сонця пояснюється просто тим, що саме в цей час ми бачимо постійно звернену до Юпітера сторону супутника, де розташований кратер Локі. Подальші наземні дослідження показали, що теплове випромінювання Іо протягом всіх наступних років незмінно різко зростає, як тільки стає видно меридіан 300-306° з.д., тобто. Локі. Його внесок у випромінювання Іо становить майже половину. У самий останній час з’явився новий метод досліджень – теплова поляриметрія. Ці дослідження показали, що випромінювання виходить від гладкої поверхні, розташованої на 13° пн.ш. і 303 ° з.д. З урахуванням помилки ± 5°, зазначеної авторами, це знову координати Локі (16–19° пн.ш., 300–306° з.д.). Вчених надзвичайно цікавить, скільки ж років може безперервно відбуватися це виверження?

Різні відтінки поверхні Іо вказують, що, крім сірки і сконденсованого сірчистого газу, там є й інші складові. Колір відкладів сірки також залежить від температури і може бути білим, жовтим, червоним, коричневим і навіть чорним. Широкий вибір кольорів можуть дати також полісульфіди. Чого точно немає ні на поверхні Іо, ні в її вулканічних викидах – це води, її снігу чи інею. А саме вода становить основну масу вулканічних викидів на Землі. Зараз води на Іо, мабуть, немає зовсім. Але чи завжди супутник був безводним чи запаси його води розгублені в виверженнях? Це питання ще чекає свого вирішення, особливо якщо врахувати, що Ганімед і Каллісто на 50–60% складаються з водяного льоду і, можливо, рідкої водяної мантії.

Рельєф Іо

Кілька слів про рельєф Іо. Він в основному рівнинний. Крім гір в центрі комплексу Пеле, є ще кілька великих масивів. Є високі гори біля південного полюса, що займають площу близько 150х80 км. Інший цікавий об’єкт виявлений на телевізійних знімках: це гора висотою до 2,5 км і діаметром підошви близько 85 км, конічної форми, яку фахівці відносять до щитового вулкану (відрізняється надзвичайно інтенсивно текучими лавами) і які характеризуються зовсім іншим типом виверження.

Взаємодія

Орбіта Іо розташована в тій частині магнітосфери Юпітера, де потоки заряджених частинок особливо щільні – в центрі радіаційного поясу. Ця частина магнітосфери нагадує 100-кратно збільшені в розмірах радіаційні пояси Землі. Плазма тут зосереджена в об’ємі, наближеним до диска, який жорстко пов’язаний з обертовим магнітним полем планети. Поряд з протонами і електронами в радіаційних поясах Юпітера знайдені іони сірки, кисню та інших елементів. Оскільки магнітосфера обертається швидко, частина заряджених частинок викидається з неї відцентровими силами і рухається в міжпланетному середовищі у вигляді повільного компонента космічних променів, пульсуючого з періодом обертання Юпітера (9 год 55,5 хв). На орбіті Іо знаходиться тор гарячої плазми з температурою до 5х10⁴ К.

Електричні і магнітні явища дуже інтенсивні в магнітосфері Юпітера. Серед чудес природи – потужний природний електричний генератор, складова частина якого – супутник Іо. Тільки, мабуть, «потужний» – не те слово. Між Юпітером і Іо тече струм в 5 млн. А. Потужність цієї енергосистеми в 20 разів перевищує сумарну потужність всіх земних електростанцій. Механізм, за допомогою якого виробляється ця фантастична потужність, мабуть, пов’язаний з вельми своєрідною структурою так званих струмових оболонок в плазмосфері Юпітера. Цікаво відзначити, що така структура давно була передбачена відомим шведським вченим X. Альфвеном для протопланетної туманності. Висловлено припущення, що сильні електричні струми біля поверхні Іо можуть завдяки самостягненню розряду (пінч-ефекту) концентруватися на малій площі. Чи не пов’язані виверження з таким тривалим пропалюючим електричним розрядом? Мабуть, Іо «працює» як одна з частин гігантського. природного прискорювача заряджених частинок.

Іо активно взаємодіє з магнітосферою і самим тором, перемішуючи частинки середніх і низьких енергій і частково поглинаючи їх. Електричні процеси в магнітосфері на рівні орбіти Іо пов’язані з радіовипромінюванням, що приходить з Юпітера в декаметровому діапазоні. Ще в 1964 році було доведено, що воно чітко залежить від положення Іо: ймовірність реєстрації радіовипромінювання найбільша, коли Іо виявляється на максимальній кутовій відстані від Юпітера, якщо дивитися з Землі. У меншій мірі таку ж залежність показують Європа і Ганімед. Космічними апаратами було зареєстровано і більш довгохвильове випромінювання – в діапазоні від 0,3 до 30 км. Воно також, мабуть, генерується в плазмовому торі на орбіті Іо.

Тор обертається зі швидкістю, відповідній швидкості магнітосфери, тому частки в ньому рухаються набагато швидше, ніж Іо. Їх відносна швидкість досягає 57 км/с, що викликає інтенсивне бомбардування поверхні супутника і щомиті вибиває з неї приблизно 1–2 т сірчистого газу, який надходить в тор вже у вигляді одно- і двократно іонізованих атомів сірки й іонізованого кисню. Вимірювання показали, що з тора виходить інтенсивне випромінювання сильно іонізованих парів сірки на довжинах хвиль 953 і 672 нм і що температура плазми в торі досягає 50 – 100 тис. К. Це означає, що в тор накачується величезна енергія близько 500 тис. МВт, причому механізм надходження цієї енергії в газове кільце залишається невідомим. На орбіті знаходиться також хмара пари лужного металу натрію, теж дуже великої протяжності – майже в діаметр Юпітера. Порівняно низько над супутником виявлені хмари нейтрального натрію, калію, кисню і сірки. Структура тора і хмар до кінця ще не досліджена.